一种直接式土壤源热泵系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种直接式土壤源热泵系统，属制冷和热泵技术领域。系统由压缩机、气液分离器、油分离器、四通换向阀、制冷剂／水换热器、双向异工质充注热力膨胀阀、干燥过滤器、视液镜、分液器、集气管、外翅片铜管埋地换热器并联支路、单向阀、电磁阀等组成。采用双向异工质充注热力膨胀阀节流，制热运行时气液分离后再对液体制冷剂进行分液，埋地换热器采用紧凑的外肋片结构，可制热和制冷运行，本实用新型专利技术的主要优点在于其可靠性、高效性和环保性。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种直接式土壤源热泵系统，采用双向异工质充注热力 膨胀阀节流，制热运行时气液分离后再对液体制冷剂进行分液，埋地换热器 采用紧凑的外肋片结构，可制热和制冷运行，属制冷和热泵

技术介绍
土壤源热泵系统根据是否存在中间传热介质其可分为第二环路土壤源热 泵系统和直接式土壤源热泵系统。在第二环路系统中，土壤先和水泵驱动的 中间传热介质(水或添加防冻剂的水溶液)进行热量交换，然后此中间介质 再通过热泵机组内置的中间换热器和制冷剂进行热量交换，实现供暖和制冷 循环。直接式系统中省去中间换热器和循环水泵，中间换热器和埋地换热器 合二为一，土壤通过铜管埋地换热器直接和制冷剂进行热量交换。和第二环路系统相比，直接式系统没有中间换热的热力学损失和水泵耗功，系统更为简单并且效率高，系统的能效比可以达到4.0 5.0。然而直接式 土壤源热泵系统要实现高效可靠的运行，在压缩机的回油、制冷运行压縮机 的启动、膨胀阀的振荡现象、埋地铜管换热器的设计、防腐和防泄漏、制热 和制冷运行需要的制冷剂充注量的差别等方面，需要进一步的改进和努力。直接式系统的现有技术中，铜管埋地换热器一般埋入水平管沟或竖直钻 孔中，普遍采用外表面光滑铜管(铜管外表面无外肋片)和分路结构，即土 壤和多个并联的光滑铜管埋地换热器支路进行热交换。因此，系统制热时通 常采用一只热力膨胀阀依据各铜管埋地换热器支路混合后的总过热度控制制 冷剂的总流量，此同工质充注热力膨胀阀后再接分液器，完成制冷剂在各埋 地换热器支路间的流量分配。经热力膨胀阀节流后的制冷剂已经闪蒸成气液 两相流体，此两相流的流量、流形、含气率、分液器的几何尺寸和安装位置、埋地换热器的分路数、负荷、压力损失、长度、位置和方向多个复杂参数影 响各支路间的制冷剂分配量。由于各支路在土壤中的布局难以实现长度和形 状完全相同，多参数影响的复杂性导致没有准确的数学物理模型能正确指导 分液器的合理设计，因此这类流量分配装置的缺点是难以保证两相流的均匀 分液，若在安装现场进行多次实验来改进和验证分液器的性能，会使设计效 率大大降低。如果制冷剂分液器设计不合理，必将导致有的埋地换热器支路 出口制冷剂蒸气过热度极大(其换热面积未能充分利用，大部分面积都被用 为加热制冷剂蒸气而不是制冷剂液体)，而有的埋地换热器出口制冷剂还未完 全蒸发并带液(其换热面积过度利用，压縮机可能发生液击)，过热度大的制 冷剂蒸气和未完全蒸发的两相制冷剂在埋地换热器出口集管混合时也产生热 力学损失，结果是整个埋地换热器的总换热效率低下。有关实验研究表明， 制冷剂流量分配不当可能导致蒸发器的蒸发能力损失高达85%。使用一只热力膨胀阀对各支路出口的总过热度调节的另一个缺点是系统 容易产生振荡现象。各铜管埋地换热器支路长度较长，制热运行当负荷变化 时，热力膨胀阀响应的延迟时间较长，通常超过l分钟，延迟的结果会导致同 工质充注热力膨胀阀交替地突然开大或关小，这种振荡现象会严重影响系统 的效率和安全性。比如，当埋地换热器出口的蒸气过热度所对应的感温包压 力要求更多的制冷剂进入埋地换热器时热力膨胀阀会迅速开大，但提高了的 制冷剂流量通过较长的铜管埋地换热器管路可能要超过l分钟才能到达其出 口，在这段时间内若系统的热负荷减少而不需要提高制冷剂流量，从而会导 致埋地换热器供液过多影响系统安全运行，当热力膨胀阀开始关小时，滞后 可能使热力膨胀阀持续的关小，直到感温包感受到出口过热度过大。此外，埋地换热器换热和土壤之间的传热量由传热面积、温差和传热系 数决定。现有技术为保证外表面光滑铜管埋地换热器和土壤的传热面积和传热量，普遍采用较大的管径，通常8 — 12mm左右。直接式土壤源热泵系统制热运行时，埋地换热器是蒸发器，制冷剂/水换热器是冷凝器；制冷运行时， 埋地换热器是冷凝器，制冷剂/水换热器是蒸发器，制冷系统内换热器中制冷 剂分布量约占系统总充注量的70%。由于直接式土壤源热泵系统埋地换热器 管路较长，其内部容积较大，结果是系统制热运行时需要的制冷剂充注量远 大于冬季制热运行的制冷剂充注量(制冷时光滑铜管埋地换热器作为系统冷 凝器，因其内部容积大，需要的制冷剂较多)。目前的解决办法是在系统中添 加大容量的储液器，当系统制热运行时储存系统中多余的制冷剂，这样一方 面使制冷剂充注量过多对环保不利(目前直接式系统中使用的制冷剂都对环境有一定影响，R22是臭氧层破坏气体和温室效应气体，其替代制冷剂R407c、 R410a和R134a虽不是臭氧层破坏气体，但仍然是温室效应气体)，另一方面系 统结构复杂并增加成本。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术的不足，设计提供一种直接式土壤源热 泵系统。采用可双向流动的异工质充注热力膨胀阀节流防止系统的振荡；制 热运行时，气液分离后再对液体制冷剂进行分液，实现进入各埋地换热器支 路制冷剂流量的均匀分配；采用内部容积较小的外肋片埋地换热器，可减少 系统的制冷剂充注量。为了实现上述目的，本技术采取了如下技术方案。 一种直接式土壤 源热泵系统，包括有压縮机l、油分离器2、四通换向阀3、制冷剂/水换热器 4、水泵5、风机盘管6、视液镜8、干燥过滤器7和埋地换热器支路、气液分 离装置11和双向异工质充注热力膨胀阀9;压縮机1的吸气管经气液分离器 19及其进气管19-1与四通换向阀3的3-4端相连，压縮机1的排气管经油分 离器2与四通换向阀3的3-1端相连；油分离器2的回油管2-1与压縮机1的 吸气管相连；四通换向阀3的3-2端与制冷剂/水换热器4的接管4-1相连，， 制冷剂/水换热器4的接管4-2与干燥过滤器7相连，干燥过滤器7的另一端与视液镜8相连，视液镜8的另一端与可双向流动的异工质充注热力膨胀阀9相连；双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包9-1贴于气液分离器19的进气 管19-1上，其外平衡管9-2分别与四通换向阀的3-3端和气液分离器19的进 气管19-1相连通；双向异工质充注热力膨胀阀9的出口分两路， 一路与电磁 阀10相连， 一路与电磁阀14相连，电磁阀10与气液分离装置11的进液管 11-1相连，电磁阀14与单向阀12的下游相连，然后合为一路与分液器13相 连；气液分离装置11的蒸气管11-2与气液分离器19的进气管19-1连通，气 液分离装置11的出液口与单向阀12的上游相连；分液器13的各分液管与各 埋地换热器支路相连，可分为二至十个支路，各个支路汇合于集气管18，集 气管18与四通换向阀3的3-4端相连；制冷剂/水换热器4的水侧管路的一端 与水泵5相连,另一端与风机盘管6相连。所述的双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包内充注的工质与系统内充 注的制冷剂种类不同，且这种工质的饱和压力温度曲线的斜率比系统内充注 的制冷剂的饱和压力温度曲线的斜率小。因而，这种膨胀阀感温包的反应没 有同工质充注热力膨胀阀(感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类 相同)敏感，这种不敏感性可使膨胀阀的振荡现象得到有效的缓冲。例如， 当系统制热运行时各埋地换热器作为蒸发器使用，如果其出口过热度过高， 表明需要更多的制冷剂，感温包温度上升。由于此双向异工质充注热力膨胀 阀感温包内充注的工质的饱和压力温度曲线斜率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接式土壤源热泵系统，包括有压缩机（１）、油分离器（２、四通换向阀（３）、制冷剂／水换热器（４）、水泵（５）、风机盘管（６）、视液镜（８）、干燥过滤器（７）和埋地换热器支路；其特征在于：还包括有气液分离装置（１１）和双向异工质充注热力膨胀阀（９）；其中，压缩机（１）的吸气管经气液分离器（１９）及其进气管（１９－１）与四通换向阀（３）的３－４端相连，压缩机（１）的排气管经油分离器（２）与四通换向阀（３）的３－１端相连；油分离器（２）的回油管２－１与压缩机（１）的吸气管相连；四通换向阀（３）的３－２端与制冷剂／水换热器（４）的接管４－１相连通，制冷剂／水换热器（４）的接管４－２与干燥过滤器（７）相连，干燥过滤器（７）的另一端与视液镜（８）相连，视液镜（８）的另一端与可双向流动的异工质充注热力膨胀阀（９）相连；双向异工质充注热力膨胀阀（９）的感温包（９－１）贴于气液分离器（１９）的进气管（１９－１）上，其外平衡管（９－２）分别与四通换向阀的３－３端和气液分离器（１９）的进气管（１９－１）相连通；双向异工质充注热力膨胀阀（９）的出口分两路，一路与电磁阀（１０）相连，一路与电磁阀（１４）相连，电磁阀（１０）与气液分离装置（１１）的进液管（１１－１）相连，电磁阀（１４）与单向阀（１２）的下游相连，然后合为一路与分液器（１３）相连；气液分离装置（１１）的蒸气管（１１－２）与气液分离器（１９）的进气管（１９－１）连通，气液分离装置（１１）的出液口与单向阀（１２）的上游相连；分液器（１３）的各分液管与各埋地换热器支路相连，各个支路汇合于集气管（１８），集气管（１８）与四通换向阀（３）的３－４端相连；制冷剂／水换热器（４）的水侧管路的一端与水泵（５）相连，另一端与风机盘管（６）相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马重芳，王晓涛，吴玉庭，王伟，王景甫，鹿院卫，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]